李红文(海南太平洋石油实业股份有限公司，海南 三亚 572000)

0 引言

三亚凤凰机场航油管道工程项目于2016 年5 月开建，2017年1 月建成投用，截止2019 年12 月系统运行期间，因外部杂散电流干扰、恒电位仪设备故障、阳极床接地电阻增大、雷电入侵等因素引起管道阴极保护系统多次出现异常。本文通过对管道阴极保护系统的故障分析及处理，比较全面的找到故障原因，故障全部排除后恒电位仪输出参数明显优化，管道得到有效阴极保护。

1 引起管道阴极保护系统故障的因素

(1)外部杂散电流干扰

由于管道埋设距离较长，存在多处与高压输电线路和环岛高铁电气化铁路交叉或者平行敷设的情况。因此，金属管道长期存在由于高压输电线或电气化铁路电磁感应产生的感应电压情况，因瞬间故障状态(如短路、开关冲击等)下，管道上产生瞬间感应电压，容易引起管道阴极保护电位波动。

(2)感应雷入侵

恒电位仪参比电缆和零位接阴电缆未采用埋地敷设，易受感应电压和雷电过电压侵入，造成设备损坏，这种损坏发生频率较高，海南省三亚市区域属于雷电频发地区，对电器设备而言防雷是重点也是难点。

(3)阳极床接地电阻输出不符合要求

恒电位仪运行牺牲阳极床采用浅埋方式敷设，且安装的位置于海边，土质基本上为砂粒，三亚天气少雨，造成土壤电阻率较高，特别是旱季更易导致阳极床电阻升高，影响恒电位仪正常运行。

2 故障分析排查

三亚凤凰国际机场航煤管道，于2017 年1 月建成并投入使用。管道全长6.7km，管道设计压力2.4MPa,一般直管段管材D273×7.0，热煨弯管及火车站段管材为管道规格为D273×8.0，材质为L245 无缝钢管，全线采用埋地敷设。直管段管道外防腐采用3PE 加强级防腐层。管道采用强制电流阴极保护系统，采用1 台规格为 30V/10A 两回路的交流供电恒电位仪，恒电位仪为一用一备(一体机)，主机与备用机相互间通过恒电位仪控制台连接、转换。阴极保护站设在首站，全管段设有26 个阴极保护电位测试桩。

(1)感应雷入侵

2017 年10 月、2018 年2 月、2018 年11 月和2019 年1 月，发生过4 次雷击故障。进一步分析4 次故障，电源防雷端防雷压敏电阻损坏0 次；输入输出端1 级防雷压模块损坏0 次，输入输出端2 次防雷压敏电阻损坏3 次；参比零位1 级防雷模块1 次，参比零位2 次防雷压敏电阻损坏4 次；恒电位仪电路板损坏2 次。

从故障的频率和严重程度分析，每次故障有零位参比端防雷压敏电阻烧损的现象，输入输出端防雷压敏电阻损坏的频次次之，其中2 次较为严重的故障导致恒电位仪电路板损坏，可以判断是外部异常电压入侵所致。

恒电位仪器设有5 处防雷器，其中电源1 处1 级(防雷压敏电阻标称电压：470V)，输入输出2 处2 级(1 级防雷压敏电阻标称电压：200V)，参比零位2 处2 级。

电源压敏电阻标称电压471V；防雷箱内置防雷板，标称电压：240V，压敏电阻标称电压200V；参比零位1 级防雷设备也是防雷箱，标称电压：240V，2 级防雷也是压敏电阻，内置于恒电位仪零位参比接线端子内，压敏电阻标称电压：82V。

图1 埋地管道阴极保护系统图

从图1 可以看出，输恒电位仪的接线由5 组电缆组成，分别为：①输入电源、②输入阴极、③输出阳极、④零位接阴、⑤参比电极。输入电源是由配电线路输入的恒电位仪工作电源，由市电电源供电，输出阴极是恒电位仪输出的负端子，接至被保护物的通电点，输出阳极是恒电位仪的正端子，接至辅助阳极床；零位接阴是恒电位仪电路的地端，接于被保护物通电点附近，参比电极是取样信号输入端，于埋设在通电点附近的参比电极相连接。

压敏电阻的作用：压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，当电源超出压敏电阻的保护电压，压敏电阻会被击穿，从而实现对后级电路的保护。

每次故障都找到参比零位的压敏电阻烧损可以说明此路收到外来电压入侵，电源端的防雷从未出现损坏，可以排除电源电压的原因，根据各级防雷电阻的防护电压等级和损坏频次，可以得出外部入侵电压基本上大于240V 的范围，这种范围的电压是感应雷的可能性很大。

实测恒电位仪接地网电阻为6Ω，根据防雷要求小于10Ω，说明接地电阻符合要求。由于设备安装于雷电频发环境，雷电入侵损坏因素一直存在且根本无法消除，只能在原有设备防雷的基础上，增加同更高防护等级的防雷设备，根治办法为重新选址搬移重建。

(2)阳极床接地电阻输出不符合要求

2019 年3 月14 日，管道阴保系统恒电位仪输出电压超出额定电压(额定电压30V)，设备报警并自动切到“恒电流”模式运行，人工切换回2 号机同样存在设备输出电压超出额定电压而无法正常工作情况。

比对分析设备运行记录(见图2)，2016 年12 月，新阳极床接地电阻验收值为7Ω，在同为旱季的情况下，2019 年3 月，阳极床电阻最大值达16.4Ω，阳极床电阻逐渐在增大； 2016 年12月恒电位仪的输出电压电流为3.824V/0.498A，2017 年12 月输出电压电流为9.488V/0.773A，2018 年12 月输出电压电流22.178V/1.692A，恒电位仪的输出电压逐渐在增大。

图2 阴极保护系统运行数据图

断开阳极床电缆，将牺牲阳极棒投入海水里作为临时阳极床，用电缆接入恒电位仪，恒电位仪投入运行平稳，显示电压电流为3.487V/2.337A，理论推算出临时阳极床电阻1.49Ω，这个阻值小于标准值4 欧姆。 当阳极床接地电阻降低，符合恒电位仪厂家设计参数要求时，恒电仪输出参数平稳，运行正常。

咨询恒电位仪生产厂家、阴保系统安装单位及行业内相关专家，初步认为设备选型、材料选择、安装施工等基本按设计图纸及说明书进行，根本原因是阳极床选址存在不足，阳极床安装位置地下2 米以下全部为砂子，水分流失严重，阳极床电阻相对偏高，特别在旱季电阻更高。且阳极床距离海边不足100米，盐分较大，氯离子对阳极床高硅铸铁阳极表面容易造成腐蚀，影响接地性能。

分析排查结论，输出电压超标原因主要是阳极床接地电阻过高，恒电位仪输出电压超出额定电压导致设备无法正常工作，根本原因是阳极床安装位置选址存在问题。

3 故障处置

为解决恒电位仪安装环境雷电入侵频繁，以及阳极床输出电阻过高影响恒电位仪正常工作等问题，公司委托有资质的设计单位对管道阴极保护系统进行重新选址，经多次测试比对安装位置的土壤电阻率，最终批准将安装于管道首端(码头)的恒电位仪搬迁至管道末端(机场油库机房)，在库区西侧绿化用地内新建阳极床、敷设阴极保护电缆及系统综合调试等内容的设计方案。

阴保站阳极床迁改项目于2019 年8 月9 日进场施工，历时13 天，共完成30 支预包装高硅铸铁阳极安装、1 处通电点安装、1 座阴保站投产测试，于2019 年8 月21 日完成初步验收，并开始进行试运行，施工过程情况见图3、图4 和图5。

图3 汇流点安装

图4 辅助阳极安装

图5 管道阴极保护系统迁改安装示意图

4 迁改后效果分析

(1)防雷措施有效，恒电位仪运行正常。

1)恒电位仪现安装机房建筑物防雷措施有效，机房建筑物东西两侧接地电阻均低于6Ω，并机房且向南20 米，向北40米，各安装1 支25 米高专用避雷塔(原有)，避雷塔接地电阻低于4Ω，能够防范一般直击雷和感应雷的入侵危害。

2)2019 年8 月迁改完成后，截至2019 年12 月，未发现恒电位仪相关压敏电阻遭受雷电入侵现象，恒电位仪运行正常。

(2)恒电位工作参数明显优化，达到项目改造要求。

1)2019 年3 月，旧阳极床故障期间，阳极床接地电阻最大值为16.4Ω，恒电位仪输出电压超过额定电压30V,设备无法正常启动。

2)2019 年8 月，旧阳极床迁改后，阳极床接地电阻为2.6Ω，恒电位仪输出电压和电流为4.37V/1.377A,设备运行正常，输出参数满足生产厂家该型号(30V/10A)恒电位仪说明书要求。

(3)全线通电电位波动幅度平稳，管道阴极保护得到改善。

SONG Shao-hua, XU Chun-yang, GUO Meng, LIU Fang, DING Guo-shan, WANG Quan-xing, FU Zhi-ren

1)对比通电电位趋势图(见图6)，整条管道的保护电位较为平均，无明显突变现象。

图6 通电电位曲线图

2)迁改后，组织3 次全线通电电位测试，管道保护电位平均最大电位差为0.3615V 左右，保护电流没有严重流失现象，说明阴极保护得到较大改善。

(4)断电保护电位结果明显优化，可以判断管道全线电位处于阴保系统有效保护范围内。

1)2019 年9 月，在预置电压为1.5V，设备自动断电测试条件下，测试结果为，26 个电位测试点均高于-0.85V,变化幅度明显收窄(见图7)。

图7 断电电位曲线图

2)为下一步需规范断电电位测试工作，预置电压为1.5V，设备自动断电等测试条件不得随意变更，测试仪表必须完好并合格有效，每个测试桩测试位置相对固定，测试人员相对固定，对出现明显电位波动的测试桩应组织重测并重点分析产生原因。

5 管道阴保系统管理注意事项

长输管道通常采用埋地方式敷设，穿越地段地形复杂，土壤会对管道造成不同程度的腐蚀，腐蚀是管道长期损伤的主要方式，会造成管道强度降低，严重威胁其安全运行，通常采用管道外防腐和阴极保护系统联合保护措施防范管道腐蚀。要确保管道阴极保护系统起到保护作用，应注意以下几点：

(1)设计过程

1)在长输管道项目可研阶段，应采取地质勘探、土壤电阻率比对等措施，科学选择阴保系统阳极床安装位置。

2)分析当地历史雷电危害情况，对恒电位仪安装场所采取有效防雷措施。

(2)施工过程

1)焊接安装前应对管道防腐层测试验收，确保符合设计要求；

2)对热煨弯管、管道支管等非一般管段，除对管道防腐层测试验收外，还应进行钢管材质、焊接质量等专项检查；

3)埋设回填前，必须用电火花检测仪进行全面分段复检验收合格，特别应关注焊接补口段的绝缘效果，回填过程应全程监控，防止坚硬物质(石块、金属等)损伤管道防腐层。

4)管道阴保系统调试期间，重点测试阳极床接地电阻和全线保护电位，确保各项参数达到设计要求，管道得到有效保护。

(3)运行过程自检维护

1)定期对恒电位仪、保护电压、保护电流、绝缘接头等设备设施检查测试。

2)对测试数据及时汇总分析，发现数据波动异常，各级技术管理人员应具有一定的敏感性和警惕性，一旦出现异常，应尽早组织测试及处置，消除管道可能存在的腐蚀风险，确保管道运行正常。

(4)管道完整性体系管理

1)建立符合本公司管道实际情况的管道完整性管理体系。

2)运行维护好管道完整性管理体系，切实控制好管道第三方损坏、管道内外腐蚀等主要风险，确保体系运行有效。

6 结语

长输管道运行过程中，应每天检查并记录恒电位仪运行参数，定期测量管道阴极保护电位，若发现保护电位等运行参数异常波动，应尽早查明原因，并采取处理措施，及时消除管道可能存在的腐蚀风险，确保管道阴保系统运行正常，管道得到有效保护。